Халькогенидное стекло
Халькогенидное стекло (произносится как «хард ч», как в химии ) — стекло, содержащее один или несколько халькогенов ( сера , селен и теллур , но исключая кислород ). Полоний также является халькогеном, но не используется из-за его сильной радиоактивности . Халькогенидные материалы ведут себя совсем иначе, чем оксиды, в частности, их меньшая ширина запрещенной зоны способствует очень разным оптическим и электрическим свойствам.
Классические халькогенидные стекла (в основном на основе серы, такие как As-S или Ge-S ) являются сильными стеклообразователями и обладают стеклами в областях больших концентраций. Стеклообразующие способности снижаются с увеличением мольной массы составляющих элементов; т. е. S > Se > Te.
Халькогенидные соединения, такие как AgInSbTe и GeSbTe, используются в перезаписываемых оптических дисках и устройствах памяти с фазовым переходом . Они являются хрупкими стеклообразователями: управляя нагревом и отжигом (охлаждением), их можно переключать между аморфным ( стекловидным) и кристаллическим состоянием, тем самым изменяя их оптические и электрические свойства и позволяя сохранять информацию.
Химия
[ редактировать ]Наиболее стабильные бинарные халькогенидные стекла представляют собой соединения халькогена и элемента группы 14 или 15 и могут образовываться в широком диапазоне атомных соотношений. Известны также тройные стекла. [1]
Не все халькогенидные композиции существуют в стеклообразной форме, хотя можно найти материалы, с которыми эти нестеклообразующие композиции можно легировать для образования стекла. Примером этого являются стекла на основе сульфида галлия. Сульфид галлия (III) сам по себе не является известным стеклообразователем; однако с сульфидами натрия или лантана он образует стекло, сульфид галлия-лантана (GLS).
До недавнего времени считалось, что халькогенидные стекла (ХГ) представляют собой преимущественно материалы с ковалентной связью и классифицируются как твердые тела с ковалентной сетью . Самое последнее и чрезвычайно полное университетское исследование более чем 265 различных элементных составов ChG, представляющих 40 различных семейств элементов, теперь показывает, что подавляющее большинство халькогенидных стекол более точно определяются как преимущественно связанные более слабыми силами Ван-дер-Ваальса атомной физики и более точно классифицируется как сетчатые тела Ван-дер-Ваальса . Они не связаны исключительно этими более слабыми силами ВДВ и демонстрируют различный процент ковалентности в зависимости от их конкретного химического состава. [2]
Приложения
[ редактировать ]
Область применения включает инфракрасные детекторы, формованную инфракрасную оптику, такую как линзы , и инфракрасные оптические волокна , главное преимущество которых заключается в том, что эти материалы передают информацию в широком диапазоне инфракрасного электромагнитного спектра .
Физические свойства халькогенидных стекол (высокий показатель преломления, низкая энергия фононов , высокая нелинейность) также делают их идеальными для включения в лазеры , планарную оптику, фотонные интегральные схемы и другие активные устройства, особенно если они легированы ионами редкоземельных элементов . Некоторые халькогенидные стекла демонстрируют несколько нелинейных оптических эффектов, таких как фотонно-индуцированное преломление, [4] и электронно-индуцированная модификация диэлектрической проницаемости [5]
Некоторые халькогенидные материалы подвергаются термическим изменениям из аморфной в кристаллическую фазу. Это делает их полезными для кодирования двоичной информации на тонких пленках халькогенидов и составляет основу перезаписываемых оптических дисков. [3] и энергонезависимые запоминающие устройства, такие как PRAM . Примерами таких материалов с фазовым переходом являются GeSbTe и AgInSbTe . В оптических дисках слой фазового перехода обычно расположен между диэлектрическими слоями ZnS – SiO.
2 , иногда со слоем способствующей кристаллизации пленки. [ нужна ссылка ] Другими, менее распространенными такими материалами являются InSe , SbSe , SbTe , InSbSe , InSbTe , GeSbSe , GeSbTeSe и AgInSbSeTe . [6]
Intel на основе халькогенидов утверждает, что ее технология памяти 3D XPoint обеспечивает пропускную способность и долговечность записи в 1000 раз выше, чем у флэш-памяти .
Электрическое переключение в халькогенидных полупроводниках возникло в 1960-х годах, когда аморфный халькогенид Te
48 Как
30 Си
12 Ge
Было обнаружено, что 10 демонстрирует резкие обратимые переходы электрического сопротивления выше порогового напряжения. Если позволить току сохраняться в некристаллическом материале, он нагревается и переходит в кристаллическую форму. Это эквивалентно записи на нем информации. Кристаллическую область можно расплавить под воздействием короткого интенсивного импульса тепла. Последующее быстрое охлаждение отправляет расплавленную область обратно через стеклование. И наоборот, тепловой импульс меньшей интенсивности и большей продолжительности приведет к кристаллизации аморфной области. Попытки вызвать стекло-кристаллическое превращение халькогенидов электрическими средствами составляют основу оперативной памяти с фазовым переходом (PC-RAM). Эта технология была разработана компанией ECD Ovonics до уровня, близкого к коммерческому использованию . Для операций записи электрический ток подает тепловой импульс. Процесс считывания выполняется при напряжениях ниже порогового уровня за счет использования относительно большой разницы в электрическом сопротивлении между стеклообразным и кристаллическим состояниями. Примерами таких материалов с фазовым переходом являются GeSbTe и AgInSbTe .
Помимо приложений памяти, контраст механических свойств между аморфной и кристаллической фазами является новой концепцией настройки частоты в резонансных наноэлектромеханических системах . [7]
Исследовать
[ редактировать ]Полупроводниковые Иоффе свойства халькогенидных стекол были открыты в 1955 году Б.Т. Коломиецем и Н.А. Горуновой из , СССР. [8] [9]
Хотя электронные структурные переходы, относящиеся как к оптическим дискам, так и к PC-RAM, были ярко выражены, вклад ионов не учитывался, хотя аморфные халькогениды могут иметь значительную ионную проводимость. На выставке Euromat 2005 было показано, что ионный транспорт также может быть полезен для хранения данных в твердом халькогенидном электролите. На наноуровне этот электролит состоит из кристаллических металлических островков селенида серебра ( Ag
2 Se ), диспергированный в аморфной полупроводниковой матрице селенида германия ( Ge
2 Се
3 ).
Электронное применение халькогенидных стекол было активной темой исследований на протяжении второй половины 20-го века и далее. Например, миграция растворенных ионов необходима в электролитическом случае, но может ограничить производительность устройства фазового перехода. Диффузия как электронов, так и ионов участвует в электромиграции, широко изучаемой как механизм деградации электрических проводников, используемых в современных интегральных схемах. Таким образом, единый подход к изучению халькогенидов, оценивающий коллективную роль атомов, ионов и электронов, может оказаться важным как для производительности, так и для надежности устройств. [10] [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Флемингс, MC; Ильшнер, Б.; Крамер, Э.Дж.; Махаджан, С.; Юрген Бушов, К.Х.; Кан, RW (2001). Энциклопедия материалов: наука и технологии . Эльзевир.
- ^ Р. А. Лорец, Т. Дж. Лорец и К. А. Ричардсон, «Прогностический метод оценки свойств халькогенидного стекла: связь, плотность и влияние на свойства стекла», Opt Mater. Экспресс, 12:5, (2022), https://doi.org/10.1364/OME.455523
- ^ Jump up to: а б Грир, А. Линдси; Матур, Н. (2005). «Материаловедение: Меняющееся лицо хамелеона» . Природа . 437 (7063): 1246–7. Бибкод : 2005Natur.437.1246G . дои : 10.1038/4371246а . ПМИД 16251941 .
- ^ Танака, К.; Симакава, К. (2009). «Халькогенидные стекла в Японии: обзор фотоиндуцированных явлений». Физ. Статус Солиди Б. 246 (8): 1744–57. Бибкод : 2009ПССБР.246.1744Т . дои : 10.1002/pssb.200982002 . S2CID 120152416 .
- ^ Сан-Роман-Алериджи, Дамиан П.; Анджум, Далавер Х.; Чжан, Япин; Ян, Сяомин; Бенслиман, Ахмед; Нг, Тьен К.; Алсунаиди, Мохаммед; Оой, Бун С. (2013). «Электронное облучение вызвало снижение диэлектрической проницаемости в тонкой пленке халькогенидного стекла (As[sub 2]S[sub 3])». Дж. Прил. Физ . 113 : 044116. arXiv : 1208.4542 . дои : 10.1063/1.4789602 . S2CID 35938832 .
- ^ US 6511788 , «Многослойный оптический диск», выпущен 28 января 2003 г.
- ^ Али, Утку Эмре; Моди, Гаурав; Агарвал, Ритеш; Бхаскаран, Хариш (18 марта 2022 г.). «Модуляция наномеханических свойств в реальном времени как основа настраиваемой NEMS» . Природные коммуникации . 13 (1): 1464. Бибкод : 2022NatCo..13.1464A . дои : 10.1038/s41467-022-29117-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8933423 . ПМИД 35304454 .
- ^ Коломиец, Б.Т. (1964). «Стекловидные полупроводники (I)». Физический статус Solidi B. 7 (2): 359–372. Бибкод : 1964ПССБР...7..359К . дои : 10.1002/pssb.19640070202 . S2CID 222432031 .
- ^ Коломиец, Б.Т. (1964). «Стекловидные полупроводники (II)». Физический статус Solidi B. 7 (3): 713–731. Бибкод : 1964ПССБР...7..713К . дои : 10.1002/pssb.19640070302 .
- ^ Овшинский, С.Р. (1968). «Явления обратимого электрического переключения в неупорядоченных структурах». Физ. Преподобный Летт . 21 (20): 1450–3. Бибкод : 1968PhRvL..21.1450O . дои : 10.1103/PhysRevLett.21.1450 .
- ^ Адлер, Д.; Шур, М.С.; Сильвер, М.; Овшинский, С.Р. (1980). «Пороговое переключение в тонких пленках халькогенидного стекла». Журнал прикладной физики . 51 (6): 3289–3309. Бибкод : 1980JAP....51.3289A . дои : 10.1063/1.328036 .
Веццоли, Греция; Уолш, Пи Джей; Доремус, LW (1975). «Пороговое переключение и открытое состояние в некристаллических халькогенидных полупроводниках: интерпретация исследований порогового переключения». Журнал некристаллических твердых тел . 18 (3): 333–373. Бибкод : 1975JNCS...18..333В . дои : 10.1016/0022-3093(75)90138-6 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Закери, А.; С.Р. Эллиотт (2007). Оптические нелинейности в халькогенидных стеклах и их применение . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 9783540710660 .
- Фрумар, М.; Фрумарова Б.; Вагнер, Т. (2011). «4.07: Аморфные и стеклообразные полупроводниковые халькогениды». В Паллабе Бхаттачарье; Роберто Форнари; Хироши Камимура (ред.). Комплексная полупроводниковая наука и технология . Том. 4. Эльзевир. стр. 206–261. дои : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00122-X . ISBN 9780444531537 .